信號設(shè)備智能故障診斷和健康管理系統(tǒng)

王天鳴、王劍生、景淵

（1.國家鐵路局裝備技術(shù)中心，北京 100070；2.北京鐵路局集團(tuán)公司北京電務(wù)段，北京 100077）

1 鐵路信號設(shè)備組成和各系統(tǒng)設(shè)備與集中監(jiān)測通信內(nèi)容

鐵路信號設(shè)備主要由軌道電路、道岔、信號機(jī)、調(diào)度集中系統(tǒng)CTC、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖CBI、列控中心TCC、電源屏、無線閉塞中心RBC、臨時限速服務(wù)器TSRS、信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、信號集中監(jiān)測、道岔缺口監(jiān)測等組成。

鐵路信號集中監(jiān)測（簡稱集中監(jiān)測）實(shí)時監(jiān)測信號設(shè)備的主要電氣特性和應(yīng)用狀態(tài)，當(dāng)電氣特性超限或信號設(shè)備不能正常工作時，應(yīng)及時預(yù)警或報(bào)警。集中監(jiān)測的智能分析是一個開放性平臺，具有自動報(bào)警和用戶自定義報(bào)警設(shè)置功能。

集中監(jiān)測能夠?qū)囌拘盘栐O(shè)備的電氣特性模擬量參數(shù)、開關(guān)量參數(shù)（按鈕狀態(tài)、關(guān)鍵繼電器、區(qū)間軌道及信號機(jī)狀態(tài)）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、記錄，并存儲數(shù)據(jù)；通過查看、分析各信號設(shè)備曲線，可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的電氣特性變化，查找、處理設(shè)備隱患，提高信號設(shè)備質(zhì)量；信號設(shè)備發(fā)生故障時，可記錄故障信息，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合故障分析，指導(dǎo)故障處理，實(shí)現(xiàn)歷史故障綜合管理與分析；對25Hz 軌道電壓和相位角、ZPW2000 軌道電路發(fā)送電壓和接收電壓、智能電源屏電壓、信號機(jī)燈絲電流、站聯(lián)電壓、半自動閉塞電壓等曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，可確保設(shè)備工作良好；對道岔表示電壓、動作電流與功率曲線存在的問題進(jìn)行分析，保證道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)；對電纜設(shè)備絕緣進(jìn)行測試，及時整治、更換電氣特性不達(dá)標(biāo)的電纜；利用電源接地功能對電源系統(tǒng)進(jìn)行人工測試，對絕緣不良的電源及時進(jìn)行整治[1]。

目前，與集中監(jiān)測接口的系統(tǒng)有調(diào)度集中系統(tǒng)CTC、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖CBI、列控中心TCC、電源屏監(jiān)測單元、ZPW2000 維護(hù)終端、智能燈絲報(bào)警、ZPW2000 軌道診斷主機(jī)、道岔缺口監(jiān)測等信號電子系統(tǒng)設(shè)備，各系統(tǒng)與集中監(jiān)測的物理連接見圖1[2]。

圖1 各系統(tǒng)與集中監(jiān)測的物理連接

各系統(tǒng)設(shè)備與集中監(jiān)測通信內(nèi)容如下：

調(diào)度集中系統(tǒng)：站場表示開關(guān)量信息、CTC 自身設(shè)備性能信息、報(bào)警信息等。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)：站場表示信息、按鈕狀態(tài)信息、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖各設(shè)備狀態(tài)信息、各種報(bào)警和預(yù)警信息等。

列控中心：TCC 硬件平臺狀態(tài)數(shù)據(jù)、TCC 與聯(lián)鎖接口進(jìn)路信息、區(qū)間方向信息、TCC 站間邊界信息、發(fā)送給聯(lián)鎖的無配線站區(qū)間方向口信息、TCC 臨時限速狀態(tài)、軌道區(qū)段編碼信息、TCC 設(shè)備維護(hù)報(bào)警、區(qū)間狀態(tài)信息等[3]。

電源屏監(jiān)測單元：系統(tǒng)輸入模擬量、系統(tǒng)輸出模擬量、系統(tǒng)狀態(tài)信息、系統(tǒng)報(bào)警信息、電源屏輸入電壓突變曲線、UPS 模擬量、UPS 報(bào)警信息、電池模擬量、電池報(bào)警等。

ZPW2000 維護(hù)終端：客專通信盤狀態(tài)、區(qū)段設(shè)備狀態(tài)信息、區(qū)段占用狀態(tài)信息、區(qū)段模擬量信息、客專通信編碼ZPW2000 區(qū)段接收TCC 編碼控制命令、采集分機(jī)狀態(tài)、報(bào)警信息等。

智能燈絲報(bào)警：具體到燈位的燈絲報(bào)警信息。

道岔缺口監(jiān)測：道岔缺口最新值與圖像、缺口報(bào)警、預(yù)警及圖像/視頻信息、道岔操縱時、過車時視頻時間列表及視頻信息、油壓曲線和油位信息、采集設(shè)備狀態(tài)信息等。

ZPW2000 軌道診斷主機(jī)：診斷主機(jī)報(bào)警信息。

2 無線閉塞中心RBC、臨時限速服務(wù)器TSRS、信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、動環(huán)監(jiān)測介紹

無線閉塞中心RBC 根據(jù)CBI、TSRS、相鄰RBC、CTC、車載等設(shè)備提供的信息，生成列車行車許可等控制信息，通過無線通信的方式實(shí)現(xiàn)車地信息雙向交互，控制列車安全運(yùn)行。臨時限速服務(wù)器TSRS 具備對全線臨時限速命令的設(shè)置、取消等功能。信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是保證車站、中繼站、線路所間（TCC、CBI）和中心（RBC、TSRS）間安全信息的可靠傳輸。動環(huán)監(jiān)測是用于監(jiān)測信號機(jī)房溫濕度、空調(diào)工作狀態(tài)等，提升機(jī)房運(yùn)維管理效率。

3 集中監(jiān)測應(yīng)實(shí)現(xiàn)與RBC、TSRS、信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、動環(huán)監(jiān)測等接口，實(shí)時傳輸報(bào)警信息

集中監(jiān)測和RBC 接口見圖2。

圖2 集中監(jiān)測和RBC 接口

RBC 與集中監(jiān)測通信內(nèi)容：RBC 設(shè)備工作信息、RBC 外部接口狀態(tài)、列車信息、臨時限速信息、RBC收到聯(lián)鎖發(fā)送給RBC 的信息、RBC 設(shè)備報(bào)警信息等。

集中監(jiān)測和TSRS 接口見圖3。

圖3 集中監(jiān)測和TSRS 接口

TSRS 與集中監(jiān)測通信內(nèi)容：TSRS 設(shè)備工作信息、TSRS 報(bào)警信息、臨時限速狀態(tài)、重要記錄信息等。

集中監(jiān)測和信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)接口見圖4。

圖4 集中監(jiān)測和信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)接口

信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)與集中監(jiān)測通信內(nèi)容：實(shí)時動態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

集中監(jiān)測和動環(huán)監(jiān)測接口見圖5。

圖5 集中監(jiān)測和動環(huán)監(jiān)測接口

動環(huán)監(jiān)測與集中監(jiān)測通信內(nèi)容：信號機(jī)房環(huán)境溫度和濕度、空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)、煙霧、水浸、門禁及玻璃破碎或者碎裂開關(guān)量。

4 ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統(tǒng)和LBE300 蓄電池組健康管理與智能維護(hù)系統(tǒng)

4.1 ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于軌道電路理論分析、系統(tǒng)仿真和多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)開發(fā)的系統(tǒng)，其核心是故障診斷算法。智能診斷系統(tǒng)通過對室內(nèi)和室外11 個監(jiān)測點(diǎn)上采集的電壓、電流的分析和處理，當(dāng)判斷軌道電路出現(xiàn)電壓、電流異常波動或出現(xiàn)紅光帶時，進(jìn)行故障診斷，確定故障點(diǎn)（約60%的故障能夠準(zhǔn)確指向單點(diǎn)位置，無需二次查找），并向控顯設(shè)備輸出故障診斷結(jié)果和處理建議。

4.1.1 實(shí)時在線故障診斷功能

ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統(tǒng)具備實(shí)時故障預(yù)警和故障報(bào)警功能。當(dāng)軌道電路區(qū)段沒車占用而出現(xiàn)電壓、電流異常波動時，可自動分析、判斷引起電壓、電流異常的區(qū)域，并進(jìn)行故障預(yù)警；當(dāng)軌道電路區(qū)段出現(xiàn)異常紅光帶時，可自動分析、確定引起紅光帶的故障區(qū)域，進(jìn)行故障報(bào)警。

4.1.2 歷史數(shù)據(jù)故障診斷回放功能，通過查看歷史數(shù)據(jù)曲線，可以手動選擇查看任意時間的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行故障分析和定位，給出故障預(yù)警或報(bào)警信息。

4.1.3 數(shù)據(jù)和報(bào)警信息回放功能，通過導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)，對該時段的故障報(bào)警信息和內(nèi)容進(jìn)行再現(xiàn)和回放調(diào)閱。

4.1.4 故障診斷和定位功能，ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統(tǒng)在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不同組合配置：包括室外監(jiān)測設(shè)備、室內(nèi)模擬網(wǎng)絡(luò)電纜側(cè)電流、室內(nèi)模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備側(cè)電壓不配置的條件下，均可實(shí)現(xiàn)故障診斷功能。故障診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)11 段的故障預(yù)警和故障報(bào)警功能，11 段區(qū)域包括：

（1）室內(nèi)發(fā)送端方向切換電路區(qū)域；（2）發(fā)送端模擬網(wǎng)絡(luò)；（3）室外發(fā)送端電纜通道；（4）室外發(fā)送端調(diào)諧區(qū)、調(diào)諧匹配單元；（5）發(fā)送端調(diào)諧匹配單元鋼軌引接線；（6）主軌線路；（7）接收端調(diào)諧匹配單元鋼軌引接線；（8）室外接收端調(diào)諧區(qū)、調(diào)諧匹配單元；（9）室外接收端通道；（10）接收端模擬網(wǎng)絡(luò)；（11）室內(nèi)接收端方向切換電路區(qū)域。11 段區(qū)域示意圖見圖6。

圖6 11 段區(qū)域示意圖

4.2 LBE300 蓄電池組健康管理與智能維護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠快速檢測出失效蓄電池，對蓄電池性能變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，對失效的蓄電池進(jìn)行修復(fù)和均衡，預(yù)防過充、欠充等現(xiàn)象，提高蓄電池使用壽命。此外，均衡裝置通過以太網(wǎng)或RS485 通信接口，可將采集到的數(shù)據(jù)上傳至信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，由信號集中監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存顯示，實(shí)現(xiàn)了正確預(yù)測蓄電池組性能的智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理。

4.2.1 在線監(jiān)測功能，系統(tǒng)通過均衡裝置實(shí)現(xiàn)對單體電池電壓、內(nèi)阻、健康度，電池組電壓、電流、剩余容量、健康度、不均衡度、均衡活化狀態(tài)、環(huán)境溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集，顯示超標(biāo)報(bào)警、存儲及后臺通信數(shù)據(jù)。同時，還可實(shí)現(xiàn)在線自動監(jiān)測每節(jié)電池電壓、內(nèi)阻、健康度等內(nèi)容，實(shí)時監(jiān)測電池組各項(xiàng)參數(shù)。

4.2.2 在線均衡功能，采用自主專利的電量無損轉(zhuǎn)移技術(shù)，將高電壓電池電量轉(zhuǎn)移到任何一節(jié)低電壓電池，從而實(shí)現(xiàn)電池電壓均衡。

4.2.3 在線活化功能，在線活化單節(jié)電池，確保蓄電池處于良好狀態(tài)，能延長2 倍以上蓄電池組的運(yùn)行壽命。

4.2.4 告警功能，對電池內(nèi)阻、電壓、溫度、健康度等超限進(jìn)行實(shí)時告警，報(bào)警閾值可自由設(shè)定，可自動存儲報(bào)警信息及單體、整組電池內(nèi)阻、電壓、充放電電流、健康度、電動勢、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)。

4.2.5 自檢功能，能夠自診斷蓄電池檢測系統(tǒng)故障，提示故障報(bào)警信號。

5 電務(wù)各車間建立調(diào)度指揮分中心

電務(wù)各車間建立調(diào)度指揮分中心，對RBC 維護(hù)終端、TSRS 維護(hù)終端、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)維護(hù)終端、電務(wù)維修機(jī)、CTC 維護(hù)終端、列控維護(hù)終端、ZPW2000 軌道電路維護(hù)終端、線路視頻、DMS（列控系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)）、道岔缺口監(jiān)測等予以集中管理，全線管轄所有車站、線路所、中繼站信號集中監(jiān)測建立信號集中監(jiān)測維護(hù)終端，信號集中監(jiān)測維護(hù)終端、DMS、動環(huán)監(jiān)測應(yīng)具備語言報(bào)警功能，RBC 維護(hù)終端、TSRS 維護(hù)終端、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)維護(hù)終端應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警功能，能實(shí)時語音提示各站報(bào)警信息。

車間調(diào)度指揮分中心值班人員24h 全程盯控信號集中監(jiān)測維護(hù)終端報(bào)警信息，及時查看、分析、記錄彈出的一、二、三級報(bào)警信息及其他維護(hù)終端報(bào)警信息，查看各站微機(jī)監(jiān)測曲線，對管內(nèi)設(shè)備電氣特性進(jìn)行全面分析，掌握設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)報(bào)警及時查看，判斷故障范圍并通知各站查找原因、處理，核實(shí)車間管轄各工區(qū)發(fā)現(xiàn)的異常信息，對報(bào)警和異常信息進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)問題納入“車間問題庫”實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，組織處理各站誤報(bào)警，減少誤報(bào)警。

天窗結(jié)束前1h，利用信號集中監(jiān)測維護(hù)終端查看一次管內(nèi)道岔、軌道電路、信號機(jī)等設(shè)備狀態(tài)，分析一次彈出的報(bào)警信息，發(fā)現(xiàn)問題及時通知現(xiàn)場工區(qū)。

管內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障后，及時通知現(xiàn)場工區(qū)，并向車間匯報(bào)，查看監(jiān)測設(shè)備曲線，維護(hù)終端報(bào)警信息，判斷室內(nèi)外具體的故障范圍，指導(dǎo)現(xiàn)場處理，故障恢復(fù)后確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)，盯控設(shè)備。

6 結(jié)語

綜上所述，將各維護(hù)終端和信號集中監(jiān)測建立接口，實(shí)時傳遞報(bào)警信息，車間調(diào)度指揮分中心24h 全程盯控集中監(jiān)測維護(hù)終端報(bào)警，可及時發(fā)現(xiàn)道岔失表、道岔缺口不良、道岔缺少液壓油、軌道電路紅光帶、各系統(tǒng)設(shè)備通信局部故障、列控設(shè)備板卡故障、外電網(wǎng)斷電、ZPW2000 軌道電路室內(nèi)器材故障、聯(lián)鎖備系重啟、TSRS 重啟、信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)通道中斷、各站空調(diào)不良等故障?？蛇h(yuǎn)程登錄各維護(hù)終端，判斷故障范圍，指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行處理。對于ZPW2000A 軌道電路紅光帶故障，可通過ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統(tǒng)，智能定位、判斷故障范圍，通過LBE300 蓄電池組健康管理與智能維護(hù)系統(tǒng)，可對蓄電池進(jìn)行監(jiān)測，保證蓄電池工作良好，實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備智能故障診斷和健康管理，保證鐵路行車安全。